JP2018080063A - SiC単結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶液成長法によるSiC単結晶の製造方法において、貫通螺旋転位密度が低く、オフ角が4°以下であり、200μm以上の厚さを有するSiC単結晶を製造する。
【解決手段】SiC単結晶の製造方法は、坩堝内の原料を加熱して溶融し、SiC溶液を生成する工程と、SiC種結晶の結晶成長面をSiC溶液に接触させて、SiC種結晶を100μm以上メルトバックする工程と、SiC種結晶をメルトバックした後、SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させる工程とを備える。ここで、結晶成長面のオフ角は、0°よりも大きく、且つ、4°以下である。SiC単結晶を成長させるときのSiC溶液の温度は、1650℃以上であって、且つ、1850℃以下である。SiC単結晶を成長させるとき、SiC溶液のうち、SiC種結晶の直下の温度勾配は、0℃/cmよりも大きく、且つ、19℃/cm以下である。
【選択図】図1
【解決手段】SiC単結晶の製造方法は、坩堝内の原料を加熱して溶融し、SiC溶液を生成する工程と、SiC種結晶の結晶成長面をSiC溶液に接触させて、SiC種結晶を100μm以上メルトバックする工程と、SiC種結晶をメルトバックした後、SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させる工程とを備える。ここで、結晶成長面のオフ角は、0°よりも大きく、且つ、4°以下である。SiC単結晶を成長させるときのSiC溶液の温度は、1650℃以上であって、且つ、1850℃以下である。SiC単結晶を成長させるとき、SiC溶液のうち、SiC種結晶の直下の温度勾配は、0℃/cmよりも大きく、且つ、19℃/cm以下である。
【選択図】図1
Description
本発明は、SiC単結晶の製造方法に関し、詳しくは、溶液成長法によるSiC単結晶の製造方法に関する。
炭化珪素(SiC)は、熱的及び化学的に安定な化合物半導体である。SiCは、シリコン(Si)と比較して、優れたバンドギャップ、絶縁破壊電圧、電子飽和速度及び熱伝導率を有する。そのため、SiCは、次世代の半導体材料として注目されている。
SiCは、結晶多形を示す材料として知られている。SiCの代表的な結晶構造は、六方晶系の6H、4H及び立方晶系の3Cである。これらの結晶構造のうち、4Hの結晶構造を有するSiC単結晶(以下、4H−SiC単結晶と称する)は、他の結晶構造を有するSiC単結晶と比べて、バンドギャップが大きい。そのため、4H−SiC単結晶は、次世代のパワーデバイス材料として注目されている。
SiC単結晶の製造方法として最も利用されているのは、昇華再結晶法である。しかしながら、昇華再結晶法により製造されたSiC単結晶には、例えば、マイクロパイプ等の欠陥が発生しやすい。
SiC単結晶の他の製造方法として、溶液成長法がある。溶液成長法では、SiC単結晶からなる種結晶の結晶成長面をSiC溶液に接触させる。SiC溶液のうち、種結晶の近傍部分を過冷却状態にして、種結晶の結晶成長面にSiC単結晶を成長させる。溶液成長法は、例えば、特開2009−91222号公報に開示されている。
Mater. Sci. Forum 338-342 (2000) 1161によると、結晶に存在する転位や欠陥等は、デバイスの性能に影響を与える。近年、炭化珪素バルク結晶の構造欠陥の低密度化が進んでいるが、それでも欠陥密度は比較的高く、欠陥を完全になくすことは困難であることがわかっている。特にマイクロパイプは致命的な欠陥であるため、マイクロパイプ欠陥のある部分は基板として使用できない。しかしながら、近年では、成長技術の発展により、マイクロパイプの発生を抑制できるようになってきた。そのため、貫通転位が次の低減対象となってきている。なお、貫通転位は、貫通螺旋転位や、貫通刃状転位である。
貫通螺旋転位は、SiC単結晶のc軸方向(<0001>方向)に伝播し、且つ、c軸方向にバーガースベクトルを有する。この欠陥がSiC単結晶に残ったままだと、電子デバイスに組み込まれるおそれがある。貫通螺旋転位は、電子デバイスにおける耐圧劣化や、酸化膜不良、エピ欠陥の発生原因となることが知られている。
貫通刃状転位は、c軸方向に伝播し、且つ、c軸方向と垂直な方向にバーガースベクトルを有する。貫通刃状転位は、リーク電流の原因や、少数キャリアのライフタイムキラーとなり得る。貫通刃状転位の転位密度は、貫通螺旋転位の転位密度よりも一桁大きい。
貫通転位は、同じバーガースベクトルを有する基底面内転位と相互変換可能である。近年、貫通転位を減少させる方法として、SiC単結晶のC軸方向に垂直な面である{11−20}面及び{1−100}面(以下、これらの面をa面と称する)上への昇華再結晶法による成長方法が開発された。この方法では、a面上への成長を繰返し行う必要がある。繰り返す回数が増えると、新たな欠陥が形成されるおそれがある。したがって、可能な限り少ない回数で貫通転位を大幅に減少させる成長技術が望まれている。
転位密度を減少させる方法として、結晶成長過程における転位変換を利用したものがある。上記のように、貫通螺旋転位は、c軸方向に平行な[0001]方向のバーガースベクトルを有するが、バーガースベクトル保存則から成長過程においてフランク型の積層欠陥に転換することが可能である。同様に、1/3[11−20]のバーガースベクトルを有する貫通刃状転位は、基底面内転位と相互に転換することが可能である。これらの現象を用いることによって、成長過程において、貫通螺旋転位及び貫通刃状転位を結晶成長方向と略垂直な方向に進展する欠陥へと変換することができる。その結果、種結晶から貫通転位を伝播することなく、低欠陥密度の結晶を得ることができる。このような貫通転位と面内欠陥の転換は、溶液成長法や化学気相蒸着法(CVD法)において生じるが、その挙動は異なる。J. Cryst. Growth, 306 (2007) 254によると、貫通螺旋転位については、CVD法では、貫通螺旋転位からフランク型積層欠陥への変換率は、1%以下と非常に低い。一方、日本結晶成長学会誌 40 (2013) 25によると、溶液成長法では、オフ角を設けた4H−SiC単結晶のSi面上に成長を行い、ステップフロー成長を促すことで、10μm厚さの成長層において、99%以上変換する。また、貫通刃状転位については、CVD法では一般的に基底面内転位から貫通刃状転位への変換は生じるが、その逆は生じないことが示されている。一方、溶液成長法では、貫通刃状転位から基底面内転位への変換は、30%〜40%程度であることが示されている。
Materials Science Forum 338-342 (2000) 1161-1166
Journal of Crystal Growth 306 (2007) 254-261
日本結晶成長学会誌40(1) (2013) 25-32
SiC単結晶を用いて電子デバイスを作製する場合、電気特性はデバイスを作製するウエハの結晶品質に依存することが知られている。一般に、SiCウエハは、バルク単結晶を成長し、スライスや研磨等の工程を経て、作製される。バルク単結晶は主に昇華再結晶法により製造されるが、このとき種結晶にはオフ角が設けられており、その上にバルク成長を行う。また、CVD法では、一般に約4°のオフ角を有する基板上にステップフロー成長により、エピタキシャル膜が形成される。
溶液成長法によるSiC単結晶の成長によって貫通転位を効果的に基底面内の欠陥へ変換できることが知られている。ここで、溶液成長法で製造された欠陥密度が低いSiC単結晶を、昇華再結晶法や高温CVD法の種結晶とすることや、CVD法で製造される伝導率を制御された薄膜を成長するためのウエハとして利用する際には、取り扱いの観点から、200μm以上の厚さの結晶が必要になる。しかしながら、溶液成長法では、オフ角を有する基板上に成長を行うと、100μm以上の成長厚さを超えると、著しい成長表面荒れが生じ、結晶と結晶との間に溶媒を巻き込み、成長不良を生じさせる。また、溶媒の巻き込みは、結晶の割れの原因となる。そのため、溶液成長法では、現在、昇華再結晶法やCVD法で用いる種結晶として必要なオフ角が設けられている十分な厚さと大きさを有する単結晶を直接製造することができない。オフ角が実質的にないSiC単結晶を溶液成長法により作製した後、切削等でオフ角を設ける必要がある。
本発明の目的は、溶液成長法によるSiC単結晶の製造方法において、貫通螺旋転位密度が低く、オフ角が4°以下であり、200μm以上の厚さを有するSiC単結晶を製造することである。
本発明の実施の形態によるSiC単結晶の製造方法は、溶液成長法により、SiC単結晶を製造する方法である。この方法は、以下の工程(a)、工程(b)及び工程(c)を備える。工程(a)は、坩堝内の原料を加熱して溶融し、SiC溶液を生成する。工程(b)は、SiC種結晶の結晶成長面をSiC溶液に接触させて、SiC種結晶を100μm以上メルトバックする。工程(c)は、SiC種結晶をメルトバックした後、SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させる。ここで、結晶成長面のオフ角は、0°よりも大きく、且つ、4°以下である。SiC単結晶を成長させるときのSiC溶液の温度は、1650℃以上であって、且つ、1850℃以下である。SiC単結晶を成長させるとき、SiC溶液のうち、SiC種結晶の直下の温度勾配は、0℃/cmよりも大きく、且つ、19℃/cm以下である。
本発明の実施の形態によるSiC単結晶の製造方法は、貫通螺旋転位密度が低く、オフ角が4°以下であり、200μm以上の厚さを有するSiC単結晶を製造することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図中同一又は相当部分には、同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
本発明の実施の形態によるSiC単結晶の製造方法は、溶液成長法により、SiC単結晶を製造する方法である。この方法は、準備工程と、生成工程と、メルトバック工程と、成長工程とを備える。準備工程では、製造装置を準備する。生成工程では、SiC溶液を生成する。メルトバック工程では、SiC種結晶をSiC溶液に接触させて、SiC種結晶をメルトバックする。成長工程では、SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させる。以下、各工程の詳細を説明する。
[準備工程]
準備工程では、溶液成長法に用いられる製造装置を準備する。図1は、本発明の実施の形態によるSiC単結晶の製造方法に用いられる製造装置10の模式図である。図1に示す製造装置10は、溶液成長法に用いられる製造装置の一例である。溶液成長法に用いられる製造装置は、図1に示す製造装置10に限定されない。
準備工程では、溶液成長法に用いられる製造装置を準備する。図1は、本発明の実施の形態によるSiC単結晶の製造方法に用いられる製造装置10の模式図である。図1に示す製造装置10は、溶液成長法に用いられる製造装置の一例である。溶液成長法に用いられる製造装置は、図1に示す製造装置10に限定されない。
製造装置10は、チャンバ12と、坩堝14と、断熱部材16と、加熱装置18と、回転装置20と、昇降装置22とを備える。
チャンバ12は、坩堝14を収容する。SiC単結晶を製造するとき、チャンバ12は冷却される。
坩堝14は、SiC溶液15の原料を収容する。ここで、SiC溶液15とは、Si又はSi合金の融液にカーボン(C)が溶解した溶液のことをいう。好ましくは、坩堝14は、炭素を含有する。この場合、坩堝14は、SiC溶液15への炭素供給源になる。
断熱部材16は、断熱材からなり、坩堝14を取り囲む。
加熱装置18は、例えば、高周波コイルである。加熱装置18は、断熱部材16の側壁を取り囲む。加熱装置18は、坩堝14を誘導加熱し、SiC溶液15を生成する。加熱装置18は、さらに、SiC溶液15を結晶成長温度に維持する。結晶成長温度は、SiC単結晶を成長させるときのSiC溶液15の温度であって、SiC種結晶24の結晶成長面24Aと接触する領域の温度である。結晶成長温度は、1650〜1850℃である。このような結晶成長温度とすることにより、貫通螺旋転位のフランク型積層欠陥への変換率及び貫通刃状転位の基底面転位への変換率が向上する。その結果、貫通螺旋転位密度及び貫通刃状転位密度を少なくすることができる。結晶成長温度の好ましい下限は、1700℃である。結晶成長温度の好ましい上限は、1800℃である。
回転装置20は、回転軸20Aと、駆動源20Bとを備える。
回転軸20Aは、チャンバ12の高さ方向(図1の上下方向)に延びる。回転軸20Aの上端は、断熱部材16内に位置する。回転軸20Aの上端には、坩堝14が配置される。回転軸20Aの下端は、チャンバ12の外側に位置する。
駆動源20Bは、チャンバ12の下方に配置される。駆動源20Bは、回転軸20Aに連結される。駆動源20Bは、回転軸20Aの中心軸線周りに、回転軸20Aを回転させる。
昇降装置22は、シードシャフト22Aと、駆動源22Bとを備える。
シードシャフト22Aは、チャンバ12の高さ方向に延びる。シードシャフト22Aの上端は、チャンバ12の外側に位置する。シードシャフト22Aの下端面には、SiC種結晶24が取り付けられる。
駆動源22Bは、チャンバ12の上方に配置される。駆動源22Bは、シードシャフト22Aに連結される。駆動源22Bは、シードシャフト22Aを昇降する。駆動源22Bは、シードシャフト22Aの中心軸線周りに、シードシャフト22Aを回転させる。
準備工程では、さらに、SiC種結晶24を準備する。SiC種結晶24は、SiC単結晶からなる。SiC種結晶24の結晶構造は、4H多形である。SiC種結晶24の結晶成長面24Aは、C面であってもよいし、Si面であってもよい。結晶成長面24Aのオフ角は、0°よりも大きく、4°以下である。ここで、結晶成長面24Aのオフ角は、結晶成長面24Aに垂直な方向に延びる直線と、c軸方向に延びる直線とが為す角度である。つまり、SiC種結晶24は、[11−20]方向に微傾斜を設けた4H−SiC単結晶である。
製造装置10とSiC種結晶24とを準備した後、SiC種結晶24をシードシャフト22Aの下端面に取り付ける。
次に、チャンバ12内の回転軸20A上に、坩堝14を配置する。このとき、坩堝14は、SiC溶液15の原料を収容している。原料は、例えば、Siのみであってもよいし、Siと他の金属元素との混合物であってもよい。金属元素は、例えば、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、スカンジウム(Sc)等である。金属元素を含有することにより、SiC溶液15に溶ける炭素の量を増やすことができる。また、金属元素の種類を変えることにより、同じ温度であっても、SiC溶液15に溶ける炭素の量を変えることができる。原料の形態としては、例えば、複数の塊や粉末等がある。
[生成工程]
次に、SiC溶液15を生成する。先ず、チャンバ12内に不活性ガスを充填する。そして、加熱装置18により、坩堝14内のSiC溶液15の原料を融点以上に加熱する。坩堝14が黒鉛からなる場合、坩堝14を加熱すると、坩堝14から炭素が融液に溶け込み、SiC溶液15が生成される。坩堝14の炭素がSiC溶液15に溶け込むと、SiC溶液15内の炭素濃度は飽和濃度に近づく。坩堝14が炭素供給源として利用できない場合、SiC溶液15の原料はCを含有する。
次に、SiC溶液15を生成する。先ず、チャンバ12内に不活性ガスを充填する。そして、加熱装置18により、坩堝14内のSiC溶液15の原料を融点以上に加熱する。坩堝14が黒鉛からなる場合、坩堝14を加熱すると、坩堝14から炭素が融液に溶け込み、SiC溶液15が生成される。坩堝14の炭素がSiC溶液15に溶け込むと、SiC溶液15内の炭素濃度は飽和濃度に近づく。坩堝14が炭素供給源として利用できない場合、SiC溶液15の原料はCを含有する。
[メルトバック工程]
次に、SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させて、SiC種結晶24をメルトバックする。具体的には、以下のとおりである。
次に、SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させて、SiC種結晶24をメルトバックする。具体的には、以下のとおりである。
先ず、駆動源22Bにより、シードシャフト22Aを降下し、SiC種結晶24の結晶成長面24AをSiC溶液15に接触させる。このとき、SiC種結晶24をSiC溶液15に浸漬してもよい。
SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させるときのSiC溶液15の温度(着液温度)は、結晶成長温度よりも低い温度である。これにより、熱ショックによる転位が発生するのを抑制できる。
着液温度は、例えば、結晶成長温度よりも50℃以上低ければよい。着液温度は、好ましくは、結晶成長温度よりも100℃以上低い。より好ましくは、結晶成長温度よりも150℃以上低い。
着液温度は、例えば、1350℃〜1750℃である。着液温度の下限は、好ましくは、1400℃である。より好ましくは、1450℃である。着液温度の上限は、好ましくは、1700℃である。より好ましくは、1650℃である。
着液温度と結晶成長温度との差が大きいと、着液温度から結晶成長温度までSiC溶液15の温度を上昇させるのに必要な時間が長くなる。一方、着液温度と結晶成長温度との差が小さいと、SiC種結晶24のメルトバック量が少なくなる。着液温度は、例えば、SiC種結晶24のメルトバック量を考慮して設定される。
SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させた後、加熱装置18により、SiC溶液15の温度を結晶成長温度まで上昇させる。これにより、SiC溶液15のカーボン溶解度が上昇する。そのため、SiC種結晶24のうち、SiC溶液15と接触している部分が、SiC溶液15に溶け出す。その結果、SiC種結晶24がメルトバックされる。SiC種結晶24のメルトバックは、SiC溶液15の炭素濃度が飽和するまで行われる。
SiC種結晶24のメルトバック量は、100μm以上である。これにより、SiC種結晶24上に形成されるSiC単結晶の表面荒れが生じ難くなる。その理由は、例えば、以下のとおりと推定される。
SiC種結晶24の表層には、加工変質層や自然酸化膜が形成されている。これらはメルトバックで除去することができる。しかしながら、これらを除去するだけでは、メルトバック後のSiC種結晶24の表面において、高さが大きく異なるステップが存在する。この場合、ステップの進展速度に著しい差が生じ、SiC溶液15を巻き込むようなステップバンチングが生じやすい。その結果、SiC単結晶を100μm以上成長させることができない。
これに対して、メルトバック量を100μm以上にすると、メルトバック後のSiC種結晶の表面には、原子レベルで略均一な高さのステップが形成される。そのため、ステップバンチングが生じたとしても、ステップ進展速度に著しい差が生じ難くなる。その結果、SiC単結晶を200μm以上成長させることができる。
SiC種結晶24のメルトバック量の下限は、好ましくは、150μmである。より好ましくは、200μmである。
SiC種結晶24のメルトバック量の上限は、好ましくは、SiC種結晶24の厚さの1/2である。より好ましくは、SiC種結晶24の厚さの1/3である。
SiC種結晶24のメルトバック量の上限は、好ましくは、300μmである。より好ましくは、250μmである。
メルトバック量は、SiC溶液15の温度だけでなく、SiC溶液15に含まれる金属元素の種類によっても異なる。SiC溶液15に金属元素を含有させるのは、上記のように、SiC溶液15に溶ける炭素の量を増やすためである。同じ温度であっても、SiC溶液15に含まれる金属元素の種類によっては、SiC溶液15に溶ける炭素の量が異なる。そのため、メルトバック量も異なる。SiC溶液15に含まれる金属元素は、メルトバック量を考慮して選択される。
所望のメルトバック量を得るには、例えば、実際にSiC単結晶を製造し、そのときの製造条件(例えば、着液温度、結晶成長温度、SiC溶液15が含有する金属元素の種類及びその含有量など)を参照して、設定すればよい。
[成長工程]
次に、SiC種結晶24上にSiC単結晶を成長させる。具体的には、以下のとおりである。
次に、SiC種結晶24上にSiC単結晶を成長させる。具体的には、以下のとおりである。
先ず、結晶成長温度においてSiC溶液15の炭素濃度を飽和させた状態で、SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍を冷却して、溶液中のカーボンを過飽和状態にする。つまり、SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍部分のカーボンが過飽和となったときには、SiC種結晶24のメルトバックは終了している。
SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍を冷却するとき、SiC溶液のうちSiC種結晶24の直下の温度勾配は、0℃/cmよりも大きく、且つ、19℃/cm以下である。温度勾配が0℃/cmでは、結晶成長が始まらない。温度勾配が19℃/cmを超えると、過飽和度が大きくなる。そのため、テラス上に三次元的な成長が生じてしまい、二次元的な成長であるステップフロー成長が阻害される。その結果、貫通刃状転位の基底面転位への変換率が減少する。温度勾配の下限は、好ましくは、5℃/cm以上である。温度勾配の上限は、好ましくは、15℃/cm以下である。
SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍を冷却する方法は、特に限定されない。例えば、加熱装置18を制御して、SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍領域の温度を他の領域の温度よりも低くする。また、SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍を冷媒により冷却してもよい。具体的には、シードシャフト22Aの内部に冷媒を循環させる。冷媒は、例えば、ヘリウム(He)やアルゴン(Ar)等の不活性ガスである。シードシャフト22A内に冷媒を循環させれば、SiC種結晶24が冷却される。SiC種結晶24が冷えれば、SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍も冷える。
SiC溶液15におけるSiC種結晶24の近傍領域のSiCを過飽和状態にしたまま、SiC種結晶24とSiC溶液15(坩堝14)とを回転する。シードシャフト22Aを回転することにより、SiC種結晶24が回転する。回転軸20Aを回転することにより、坩堝14が回転する。SiC種結晶24の回転方向は、坩堝14の回転方向と逆方向でも良いし、同じ方向でも良い。回転速度は、一定であっても良いし、変動しても良い。シードシャフト22Aは、回転しながら、徐々に上昇する。このとき、SiC溶液15に接触しているSiC種結晶24上に、SiC単結晶が成長する。なお、シードシャフト22Aは、上昇せずに回転しても良いし、上昇も回転もしなくても良い。
[製造されるSiC単結晶]
上記方法によって製造されるSiC単結晶は、200μm以上の有効成長厚さを有する。有効成長厚さとは、基板として取り扱い可能な部分の厚みをいう。例えば、図2に示すように、SiC単結晶の表面に異方位結晶や溶媒のインクルージョン、異種多形が形成された場合には、そこまでの成長厚さをいう。
上記方法によって製造されるSiC単結晶は、200μm以上の有効成長厚さを有する。有効成長厚さとは、基板として取り扱い可能な部分の厚みをいう。例えば、図2に示すように、SiC単結晶の表面に異方位結晶や溶媒のインクルージョン、異種多形が形成された場合には、そこまでの成長厚さをいう。
上記方法によって製造されるSiC単結晶は、50mm以上の直径を有する真円を含む主面を有することができる。50mm以上の直径を有する真円を含む主面とは、図3に示すように、SiC単結晶の厚さ方向から見て、SiC単結晶の成長面が50mm以上の直径を有する真円を含むことをいう。
上記方法によって製造されるSiC単結晶は、SiC種結晶24のオフ角を継承することができる。つまり、製造されるSiC単結晶に対してオフ角を形成するための処理をする必要がなくなる。
上記方法によって製造されるSiC単結晶は、貫通螺旋転位密度が少ない。そのため、当該SiC単結晶を種結晶に用いて、昇華再結晶法又は高温CVD法によりSiC単結晶を製造する場合には、高品質なSiC単結晶を高い成長速度で得ることができる。
昇華再結晶法では、SiC単結晶からなる種結晶と、SiC単結晶の原料となるSiC結晶粉末とを、坩堝に収容し、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、加熱する。このとき、原料粉末に比べて、種結晶がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料は、昇華後、温度勾配によって形成される濃度勾配により、種結晶に向かって拡散、輸送される。SiC単結晶の成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。
高温CVD法では、真空容器内において棒状部材に支持された台座に対してSiC単結晶からなる種結晶を配置し、種結晶の下方からSiCの原料ガスを供給することにより、種結晶の表面にSiC単結晶を成長させる。
種々の製造条件で、SiC単結晶を製造した。製造されたSiC単結晶について、有効成長厚さ及び貫通螺旋転位密度を調査した。
表1に示す製造条件でSiC単結晶を製造した。
実施例1〜4の製造条件は、本発明の範囲内であった。比較例1〜5の製造条件は、本発明の範囲外であった。
メルトバック量は、SiC単結晶が成長したSiC種結晶の厚さを測定し、当初のSiC種結晶の厚さとの差分を求めることで得た。
製造されたSiC単結晶について、有効成長厚さ及びその評価と、貫通螺旋転位密度及びその評価と、総合評価とを調査した。その結果を、表2に示す。
有効成長厚さは、製造したSiC単結晶の断面を測定して得た。貫通螺旋転位密度は、溶融KOHによりエッチングされたSiC単結晶の表面に形成された貫通螺旋転位を示すエッチピットの数であって、1平方センチメートル当たりのエッチピットの数とした。溶融KOHは、純度86.0%の粒状のKOHを溶融することにより得た。エッチングの時間は、3分であった。溶融KOHの温度は、500℃であった。貫通螺旋転位を示すエッチピットの数は、溶融KOHによりエッチングされたSiC単結晶の表面を光学顕微鏡で観察して求めた。観察した領域は15箇所であった。各領域の大きさは、270μm×340μmであった。領域ごとに、エッチピットの数を求めた。そして、これらの平均値を求め、さらに1平方センチメートル当たりのエッチピット数に換算することにより、貫通螺旋転位密度を求めた。なお、比較例3−5の貫通螺旋転位密度が記載されていないのは、製造されたSiC単結晶の表面に、島状又は異方位の単結晶が形成されていたためである。
有効成長厚さは、以下の基準で評価した。○は、有効成長厚さが200μm以上であることを示す。×は、有効成長厚さが200μm未満又は基板への加工が不可能な場合を示す。
貫通螺旋転位密度は、以下の基準で評価した。◎は、1平方センチメートル当たりの貫通螺旋転位の数が20以下であることを示す。○は、1平方センチメートル当たりの貫通螺旋転位の数が30未満であることを示す。×は、1平方センチメートル当たりの貫通螺旋転位の数が30以上であることを示す。−は、貫通螺旋転位の数を測定できなかったことを示す。
総合評価は、以下の基準で評価した。◎は、有効成長厚さの評価が○であって、且つ、貫通螺旋転位密度の評価が◎であることを示す。○は、有効成長厚さ及び貫通螺旋転位密度の評価が何れも○であることを示す。×は、有効成長厚さ及び貫通螺旋転位密度の評価の何れかが×又は−であることを示す。
製造条件が本発明の範囲内であれば、有効成長厚さが200μm以上であって、且つ、1平方センチメートル当たりの貫通螺旋転位の数が30未満であることを確認できた。
以上、本発明の実施の形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態によって、何等、限定されない。
例えば、上記実施の形態では、SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させた後、SiC溶液15の温度を上昇させることにより、SiC種結晶24をメルトバックさせていた。しかしながら、SiC種結晶をメルトバックする方法は、この方法に限定されない。例えば、SiC溶液において、内部から表面に向かって温度が上昇する温度勾配を形成し、このSiC溶液にSiC種結晶を接触させる方法であってもよい。この場合、SiC溶液の表面近傍では、カーボン溶解度が上昇する。そのため、SiC種結晶のうち、SiC溶液と接触する部分がSiC溶液に溶け出す。その結果、SiC種結晶がメルトバックされる。
例えば、上記実施の形態では、SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させた後、SiC溶液15の温度を上昇させることにより、SiC種結晶24をメルトバックさせていた。しかしながら、SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させるタイミングは、SiC溶液15の温度を上昇させる前に限定されない。SiC溶液15の温度を上昇させた直後に、SiC種結晶24をSiC溶液15に接触させてもよい。
15:SiC溶液、24:SiC種結晶、24A:結晶成長面、26:SiC単結晶
Claims (6)
- 溶液成長法により、SiC単結晶を製造する方法であって、
坩堝内の原料を加熱して溶融し、SiC溶液を生成する工程と、
SiC種結晶の結晶成長面を前記SiC溶液に接触させて、前記SiC種結晶を100μm以上メルトバックする工程と、
前記SiC種結晶をメルトバックした後、前記SiC種結晶上に前記SiC単結晶を成長させる工程とを備え、
前記結晶成長面のオフ角は、0°よりも大きく、且つ、4°以下であり、
前記SiC単結晶を成長させるときの前記SiC溶液の温度は、1650℃以上であって、且つ、1850℃以下であり、
前記SiC単結晶を成長させるとき、前記SiC溶液のうち、前記SiC種結晶の直下の温度勾配は、0℃/cmよりも大きく、且つ、19℃/cm以下である、方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記SiC単結晶を成長させるときの前記SiC溶液の温度は、1700℃以上であって、且つ、1800℃以下である、方法。 - 請求項1又は2に記載の方法であって、
前記SiC種結晶の結晶構造は、4H多形である、方法。 - 昇華再結晶法又は高温CVD法によりSiC単結晶を製造する方法であって、
SiC種結晶を準備する工程と、
前記SiC種結晶上に前記SiC単結晶を成長させる工程とを備え、
前記SiC種結晶は、請求項1〜3の何れか1項に記載の方法によって製造される、方法。 - SiC単結晶であって、
50mm以上の直径を有する真円を含む主面と、
200μm以上の厚さとを有し、
前記主面のオフ角は、0°よりも大きく、且つ、4°以下であり、
前記主面における貫通螺旋転位の密度は、30個/cm2未満である、SiC単結晶。 - 請求項5に記載のSiC単結晶であって、さらに、
4H多形の結晶構造を有する、SiC単結晶。
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